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光明在前:“逐日工程”取得阶段性成果——全链路全系统空间太阳能电站地面验证系统通过验收侧记
时间:2022-06-29 17:46:40来源:中国科学报点击:


位于西电南校区的“逐日工程”空间太阳能电站地面验证系统

项目评介会

OMEGA--SSPS地面试验验证系统说明。 图片均由西安电子科大提供

6月5日,世界首个全链路全系统的空间太阳能电站地面验证系统通过专家组验收。中国工程院院士、西安电子科技大学段宝岩教授带领的“逐日工程”研究团队研制的这一验证系统突破并验证了高效率聚光与光电转换、微波转换、微波发射与波形优化、微波波束指向测量与控制、微波接收与整流、灵巧机械结构设计等多项关键技术。

验收当天,在经过了深入、细致的现场考察、咨询交流等环节后,以中国科学院院士吴一戎研究员为组长、包括另外三位院士在内的九位专家组成的评价组一致认为:该项目成果总体处于国际先进水平。其中欧米伽光机电集成设计、55米传输距离的微波功率无线传输效率、微波波束收集效率、聚光与天线等高精度结构系统功质比等主要技术指标位居国际领先水平。该成果对我国下一代微波功率无线传输技术与空间太阳能电站理论与技术的发展具有支撑性、引领性作用,应用前景十分广阔。

验证了自主创新的完整过程

2014年,工信部、发改委、科技部等16个部委组织来自国内的130余位专家开展了近一年的论证工作,论证组最终完成了《中国太空发电站发展规划及关键技术体系规划论证报告》,为我国开展太空发电站关键技术攻关决策提供了重要指引。

与此同时,段宝岩团队提出了欧米伽(OMEGA)空间太阳能电站设计方案。这一设计方案与美国的阿尔法(ALPHA)设计方案相比,具备三个优势:控制难度下降,散热压力减轻,功质比(天上系统的单位质量所产生的电)提高约24%。

“空间太阳能电站研究,目前在全世界是一个热点。”段宝岩介绍说。据了解,自1968年美国人彼得·格拉泽提出建设太空电站的构想之后,先后已有美国国家航空航天局(NASA)与能源部联合启动并资助的“1979 SPS基准系统”,欧洲启动的“空间探索与利用的系统、概念、结构和技术”研究等。

2012年以来,在NASA创新概念项目支持下,约翰·曼金斯教授提出了“任意大规模相控阵式空间太阳能电站”阿尔法(SSPS-ALPHA)方案。之后,美国诺格公司与加州理工大学签署了一项总额1750万美元的空间太阳能电站技术研发合同。与此同时,印度、俄罗斯、英国、法国的科研工作者,亦在空间太阳能电站研究领域持续发力。

2015年,日本研究者开展了55米距离的微波无线传能实验,验证了基于5.8吉赫频率、固态源和相控阵体制下的传输,传输效率为9.88%,在微波无线能量传输技术方面暂时处于世界领先地位。“但日本的这种试验系统依然不是全链路的,缺少了从光到电的过程,他们的技术优势集中在从发射天线到接收天线这一链路。”段宝岩补充强调说,“而西电搭建的这个地面验证系统,是全链路全系统的,实现了从跟日、聚光、光电转换、微波发射到微波接收整流等完整过程。”

测试成功时间提前近三年

10年磨一剑。

10年来,段宝岩研究团队从方案提出、理论分析、仿真计算、室内传能验证、户外地面验证,一步一个脚印地稳步向前开展着空间太阳能电站相关研究工作。

2018年12月23日,在“空间太阳能电站系统项目”启动仪式暨高峰论坛上,西电空间太阳能电站研究项目被命名为“逐日工程”。在顺利完成了理论研究计算、室内传能验证之后,段宝岩研究团队拉开了“逐日工程”空间太阳能电站的户外地面验证挑战序幕。

“逐日工程”空间太阳能电站地面验证系统位于西电南校区,其支撑塔为75米高的钢结构,验证系统主要包括五大子系统:欧米伽聚光与光电转换、电力传输与管理、射频发射天线、接收与整流天线、控制与测量。其工作原理,首先是根据太阳高度角确定聚光镜需要倾斜的角度,在接收到聚光镜反射的太阳光后,位于聚光镜中心的光伏电池阵,将其转化为直流电能。随后,通过电源管理模块,四个聚光系统转换得到的电能汇聚到中间发射天线,经过振荡器和放大器等模块,电能被进一步转化为微波,利用无线传输的形式发射到接收天线。最后,接收天线将微波整流再次转换成直流电供给负载。

一千多个日日夜夜,“逐日工程”验证系统各子系统的搭建,研发人员经历了一次次失败之后重新再来的艰辛与痛苦,在锲而不舍的踔厉攀登中成功。

“从事科学研究工作,特别是我们这样的工程项目,需要亲自动手,需要实际操作,需要一次次跑现场,绝不是在电脑上做做仿真就行了的。”段宝岩反复强调。

“计算仿真,安装调试,其实这都不算啥,有时我们碰到的难题,完全不像是在做研究。”“逐日工程”项目组主要成员之一年轻的张逸群教授说。

“逐日工程”这个空间太阳能电站地面验证系统,正是在段宝岩亲自示范带动下,经过项目组百名师生精诚协作,一点一滴搭建起来的。

全链路、全系统的空间太阳能电站地面验证系统通过验收时间比原定的技术路线节点提前了近三年。

项目将发挥的主要作用

空间太阳能电站研究是一个能源领域的“曼哈顿工程”,涉及的技术领域非常之多,最终实现天地之间的传输需要几代人的接续奋斗。

段宝岩说:我们开始研究,从最可能实现的地方做起。这样做的好处,就是可以让一部分“人”先富起来。

首先是太空运转的各类航空器以及地面运转的移动设备。段宝岩设想,空间太阳能电站未来可以成为轨道中的“太空充电桩”。他指出,目前中小卫星需要携带庞大的太阳帆板进行充电,但其效率低,因为当卫星运行到地球阴影区时便无法充电。如果有了“太空充电桩”,卫星则不再需要庞大的太阳帆板,只需一付可收展的接收天线,就像加油站一样。

此外,一旦地面无线充电桩的构想获得突破,其在民用及军用两大领域都有着广阔的现实价值。比如,其能在边远地区供电、救灾、突发事件无线供电以及降低恶劣气候影响(台风强度、走向等)方面大展身手。再比如,其可直接应用于对军用卫星、空间武器、大型舰船、地面军事设施的无线供电,特别是在军用应急雷达、平流层飞行器、无人机群等无线供电方面具有令人激动的应用前景,可确保持续、灵活、可靠、实时的能源供应,保障军事力量的有效性和国家安全。

而在“人才演兵场”的作用方面,则可以用段宝岩常常给学生讲的一句话进行概括,那就是“一代做给一代看,一代更比一代强”。

据统计,在“逐日工程”项目组中,80后及90后科研人员占比已经达到61%,他们在多个子系统的磨合中,已经逐渐成长为理论功底与工程水平比翼齐飞的全能型人才。

据了解,接下来,段宝岩带领的研究团队,在目前已经实现的一对一传输的基础上,又将投入到微波大功率无线传输一对多等方向的探索当中。(作者:张行勇 关宏才)

微信截图_20220629174718.png

来源:中国科学报2022年6月29日03版

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发布时间:2022-06-29 17:46:40来源:中国科学报点击:我要评论: 0


位于西电南校区的“逐日工程”空间太阳能电站地面验证系统

项目评介会

OMEGA--SSPS地面试验验证系统说明。 图片均由西安电子科大提供

6月5日,世界首个全链路全系统的空间太阳能电站地面验证系统通过专家组验收。中国工程院院士、西安电子科技大学段宝岩教授带领的“逐日工程”研究团队研制的这一验证系统突破并验证了高效率聚光与光电转换、微波转换、微波发射与波形优化、微波波束指向测量与控制、微波接收与整流、灵巧机械结构设计等多项关键技术。

验收当天,在经过了深入、细致的现场考察、咨询交流等环节后,以中国科学院院士吴一戎研究员为组长、包括另外三位院士在内的九位专家组成的评价组一致认为:该项目成果总体处于国际先进水平。其中欧米伽光机电集成设计、55米传输距离的微波功率无线传输效率、微波波束收集效率、聚光与天线等高精度结构系统功质比等主要技术指标位居国际领先水平。该成果对我国下一代微波功率无线传输技术与空间太阳能电站理论与技术的发展具有支撑性、引领性作用,应用前景十分广阔。

验证了自主创新的完整过程

2014年,工信部、发改委、科技部等16个部委组织来自国内的130余位专家开展了近一年的论证工作,论证组最终完成了《中国太空发电站发展规划及关键技术体系规划论证报告》,为我国开展太空发电站关键技术攻关决策提供了重要指引。

与此同时,段宝岩团队提出了欧米伽(OMEGA)空间太阳能电站设计方案。这一设计方案与美国的阿尔法(ALPHA)设计方案相比,具备三个优势:控制难度下降,散热压力减轻,功质比(天上系统的单位质量所产生的电)提高约24%。

“空间太阳能电站研究,目前在全世界是一个热点。”段宝岩介绍说。据了解,自1968年美国人彼得·格拉泽提出建设太空电站的构想之后,先后已有美国国家航空航天局(NASA)与能源部联合启动并资助的“1979 SPS基准系统”,欧洲启动的“空间探索与利用的系统、概念、结构和技术”研究等。

2012年以来,在NASA创新概念项目支持下,约翰·曼金斯教授提出了“任意大规模相控阵式空间太阳能电站”阿尔法(SSPS-ALPHA)方案。之后,美国诺格公司与加州理工大学签署了一项总额1750万美元的空间太阳能电站技术研发合同。与此同时,印度、俄罗斯、英国、法国的科研工作者,亦在空间太阳能电站研究领域持续发力。

2015年,日本研究者开展了55米距离的微波无线传能实验,验证了基于5.8吉赫频率、固态源和相控阵体制下的传输,传输效率为9.88%,在微波无线能量传输技术方面暂时处于世界领先地位。“但日本的这种试验系统依然不是全链路的,缺少了从光到电的过程,他们的技术优势集中在从发射天线到接收天线这一链路。”段宝岩补充强调说,“而西电搭建的这个地面验证系统,是全链路全系统的,实现了从跟日、聚光、光电转换、微波发射到微波接收整流等完整过程。”

测试成功时间提前近三年

10年磨一剑。

10年来,段宝岩研究团队从方案提出、理论分析、仿真计算、室内传能验证、户外地面验证,一步一个脚印地稳步向前开展着空间太阳能电站相关研究工作。

2018年12月23日,在“空间太阳能电站系统项目”启动仪式暨高峰论坛上,西电空间太阳能电站研究项目被命名为“逐日工程”。在顺利完成了理论研究计算、室内传能验证之后,段宝岩研究团队拉开了“逐日工程”空间太阳能电站的户外地面验证挑战序幕。

“逐日工程”空间太阳能电站地面验证系统位于西电南校区,其支撑塔为75米高的钢结构,验证系统主要包括五大子系统:欧米伽聚光与光电转换、电力传输与管理、射频发射天线、接收与整流天线、控制与测量。其工作原理,首先是根据太阳高度角确定聚光镜需要倾斜的角度,在接收到聚光镜反射的太阳光后,位于聚光镜中心的光伏电池阵,将其转化为直流电能。随后,通过电源管理模块,四个聚光系统转换得到的电能汇聚到中间发射天线,经过振荡器和放大器等模块,电能被进一步转化为微波,利用无线传输的形式发射到接收天线。最后,接收天线将微波整流再次转换成直流电供给负载。

一千多个日日夜夜,“逐日工程”验证系统各子系统的搭建,研发人员经历了一次次失败之后重新再来的艰辛与痛苦,在锲而不舍的踔厉攀登中成功。

“从事科学研究工作,特别是我们这样的工程项目,需要亲自动手,需要实际操作,需要一次次跑现场,绝不是在电脑上做做仿真就行了的。”段宝岩反复强调。

“计算仿真,安装调试,其实这都不算啥,有时我们碰到的难题,完全不像是在做研究。”“逐日工程”项目组主要成员之一年轻的张逸群教授说。

“逐日工程”这个空间太阳能电站地面验证系统,正是在段宝岩亲自示范带动下,经过项目组百名师生精诚协作,一点一滴搭建起来的。

全链路、全系统的空间太阳能电站地面验证系统通过验收时间比原定的技术路线节点提前了近三年。

项目将发挥的主要作用

空间太阳能电站研究是一个能源领域的“曼哈顿工程”,涉及的技术领域非常之多,最终实现天地之间的传输需要几代人的接续奋斗。

段宝岩说:我们开始研究,从最可能实现的地方做起。这样做的好处,就是可以让一部分“人”先富起来。

首先是太空运转的各类航空器以及地面运转的移动设备。段宝岩设想,空间太阳能电站未来可以成为轨道中的“太空充电桩”。他指出,目前中小卫星需要携带庞大的太阳帆板进行充电,但其效率低,因为当卫星运行到地球阴影区时便无法充电。如果有了“太空充电桩”,卫星则不再需要庞大的太阳帆板,只需一付可收展的接收天线,就像加油站一样。

此外,一旦地面无线充电桩的构想获得突破,其在民用及军用两大领域都有着广阔的现实价值。比如,其能在边远地区供电、救灾、突发事件无线供电以及降低恶劣气候影响(台风强度、走向等)方面大展身手。再比如,其可直接应用于对军用卫星、空间武器、大型舰船、地面军事设施的无线供电,特别是在军用应急雷达、平流层飞行器、无人机群等无线供电方面具有令人激动的应用前景,可确保持续、灵活、可靠、实时的能源供应,保障军事力量的有效性和国家安全。

而在“人才演兵场”的作用方面,则可以用段宝岩常常给学生讲的一句话进行概括,那就是“一代做给一代看,一代更比一代强”。

据统计,在“逐日工程”项目组中,80后及90后科研人员占比已经达到61%,他们在多个子系统的磨合中,已经逐渐成长为理论功底与工程水平比翼齐飞的全能型人才。

据了解,接下来,段宝岩带领的研究团队,在目前已经实现的一对一传输的基础上,又将投入到微波大功率无线传输一对多等方向的探索当中。(作者:张行勇 关宏才)

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来源:中国科学报2022年6月29日03版

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